发布日期：2025-04-13 10:28 点击次数：190
平面光极技术的核心在于利用光敏物质与分析物之间的相互作用，产生荧光信号变化，从而实现对目标物质的检测。具体原理如下：在激发光照射下，光敏物质与分析物（如溶解氧、pH、二氧化碳等）相互作用，导致荧光信号（如强度、寿命）发生变化。通过数字成像技术实时记录其二维特征发射光谱，进而将被测物质的浓度进行可视化呈现。
平面光极的结构设计紧凑，通常包括一个光敏膜和一个成像系统。光敏膜上含有特定的荧光染料，这些染料对目标分析物具有选择性响应。例如，对于溶解氧的检测，光敏膜上的荧光染料在与溶解氧接触时会发生荧光猝灭，荧光强度的变化与溶解氧浓度成反比。
平面光极技术相较于传统监测方法具有显著优势：
1. 原位、实时监测：无需样品采集和运输，减少了人为误差，能够直接在原位获取环境参数的实时数据。
2. 高分辨率和可视化：分辨率可达亚毫米级别，能够清晰地呈现环境参数的空间分布和动态变化。
3. 操作简便、成本低：设备易于操作，适合广泛的环境监测场景，且成本相对较低。
平面光极技术在环境中的应用
1. 水-土界面
在水-土界面，平面光极技术可用于研究对流对有机物降解的影响。研究表明，对流可以将溶解性有机物（DOM）从有机物矿化的“热点”有效地分布到大量的可渗透沉积物和相关的微生物群落中，从而提高有机物的降解速度。
2. 钩虾扰动沉积物微界面
平面光极技术还可用于研究钩虾扰动对沉积物微界面溶解氧和磷的影响。通过监测这些参数的变化，研究人员可以更好地理解钩虾活动对沉积物微环境的影响。
3. 根-土界面
在根-土界面，平面光极技术结合中子成像技术，能够对土壤中的氧气、pH以及水分变化进行监测。研究表明，植物根系会根据根的类型改变根际的pH值和氧气含量。此外，平面光极技术还可用于研究不同光照强度、水中氧气含量和温度对根际溶解氧含量分布的影响。
4. 生物炭-土界面
平面光极技术在生物炭-土界面的应用中，主要用于监测生物炭颗粒对土壤pH的影响以及随时间的变化。
5. 微生物群落分析
平面光极技术还可与扩散梯度薄层（DGT）技术和荧光原位杂交（FISH）技术结合，用于微生物群落分析。例如，研究发现海草根际泌氧（ROL）过程可以减少硫酸盐还原菌的丰度，降低幼根周围硫化物浓度，同时增加根际硫化物氧化电缆细菌的数量。
6. 氧化还原敏感元素的二维空间分布
平面光极技术还可用于测定铁膜附近氧化还原敏感元素的二维空间分布。研究发现，磷（P）、铁（Fe）、砷（As）与溶解氧的变化呈显著负相关，而锰（Mn）与溶解氧呈显著正相关。
7. 酶谱分析
平面光极技术还可与酶谱技术结合，用于研究植物根际酶的活性变化。例如，苦草根系直接分泌酸性磷酸酶，同时根际泌氧增强了根际微生物的活性，导致根际碱性磷酸酶活性增加。
平面光极技术的测试原理基于光化学传感膜上的荧光染料，这些染料对目标分析物具有选择性响应。以下是几种常见参数的测试原理：
1. pH膜测试原理
pH膜测试原理基于光化学传感膜上对pH变化敏感的荧光染料。H⁺渗透通过聚合物基质，导致荧光染料产生解离平衡。染料的酸碱形式对应不同的发射光，通过CCD相机捕获荧光的变化，并根据不同发射光强度进行定量。
2. O₂膜测试原理
O₂膜测试原理基于光化学传感膜上对溶解氧敏感的荧光染料。当溶解氧渗透通过聚合物与荧光染料接触时，染料的荧光会发生动态猝灭。荧光变化（红光）可被CCD相机识别并记录，根据荧光强度来定量氧气浓度。
3. CO₂膜测试原理
CO₂膜测试原理基于光化学传感膜上以离子对形式存在的染料。CO₂穿过气体渗透膜与传感膜中的离子对反应，使离子对质子化，从而改变传感膜的荧光强度。通过CCD相机捕获荧光的变化，并根据不同激发光下的发射光强度比率来定量。
平面光极技术的发展离不开先进的设备支持。目前，市场上有多种平面光极设备可供选择，如VisiSens TD系统、便携式VisiSens系统以及德国实验室平面光极系统-VisiSens（PreSens）。
平面光极技术作为一种先进的环境监测技术，具有原位、实时监测、高分辨率和可视化等显著优势。它在水-土界面、根-土界面、微生物群落分析等多个领域得到了广泛应用，为环境科学研究提供了有力支持。随着技术的不断进步和创新，平面光极技术有望在更多环境领域得到应用，为环境保护和可持续发展提供重要保障。
